fachpraktikum leistungselektronik

FACHPRAKTIKUM LEISTUNGSELEKTRONIK
Die nachfolgend beschriebenen Laborübungen sollen Ihnen die experimentelle Analyse der
Grundschaltungen der modernen Leistungselektronik näher bringen. Die Übungen IE1 - IE13
sind sämtlich auf einem universellen, in industrienaher Leiterplatten- und Schaltungstechnik
realisierten Lehrsystem (ETH Zurich Converter Lab) durchzuführen, welches an der Professur
speziell für den universitären Unterricht entwickelt wurde und für die unterschiedlichen
Übungen konfiguriert werden kann (siehe Abb.1). Sie erlernen dabei den Umgang mit
leistungselektronischen Systemen bei für industrielle Anwendungen typischen
Schaltfrequenzen und werden mit dem Einsatz moderner Messgeräte wie Power Analyzer,
Digitalspeicheroszilloskop, Stromzange und Differentialtastkopf vertraut.
Abb.1: Foto des „ETH Zurich Converter Lab“. Oben: Leistungsteil, unten: Steuerteil mit LCDisplay.
Bei allen nachfolgend beschriebenen Übungen werden die Verläufe charakteristischer Ströme
und Spannungen ermittelt, die Spannungs- und Strombeanspruchungen der
Leistungshalbleiter, Induktivitäten und Kapazitäten analysiert, der Einfluss von
Nichtidealitäten der Komponenten diskutiert und das Verhalten der geregelten Größen auf
sprungförmige Führungs- oder Störgrößenänderungen untersucht und teilweise optimiert.
Die Laborübungen sind in drei Ausbildungsstufen gegliedert. In der ersten Stufe „BASIC“
wird Ihnen das Lehrsystem mit seinen Funktionen vorgestellt, sowie einführende Übungen
(DC/DC Konverter ohne galvanische Trennung) durchgeführt. Die zweite Stufe ist als
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Aufbauübung zu verstehen und wird als Ausbildungsstufe „EXPERIENCED“ bezeichnet.
Dabei werden bereits DC/DC Konverter mit galvanischer Trennung behandelt. In der Stufe
„ADVANCED“ lernen Sie ein- und dreiphasige Pulsgleich- und -umrichter kennen und
untersuchen die wichtigsten elektrischen Maschinen im Vierquadrantenbetrieb.
BASIC
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IE1:
DC/DC Konverter / Tiefsetzsteller
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IE2:
DC/DC Konverter / Hochsetzsteller
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IE3:
DC/DC Konverter / Hoch-Tiefsetzsteller
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IE4:
Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
EXPERIENCED
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IE5:
Sperrwandler
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IE6:
Zwei-Transistor Sperrwandler
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IE7:
Durchflusswandler
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IE8:
Vollbrücken-Durchflusswandler
ADVANCED
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IE9:
Einphasen-Diodenbrückenschaltung mit sinusförmigem Eingangsstrom
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IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem
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IE11: Dreiphasiges Pulsgleichrichtersystem
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Einführung
Einführung
Abb.2: Topologie des Laborlehrsystems „ETH Zurich Converter Lab“.
Die Topologie des „ETH Zurich Converter Lab“ ist in Abb.2 dargestellt. Es besteht im
Wesentlichen aus drei Brückenzweigen Si+, Si– und Li (i = 1 ... 3), die jeder für sich einen
Tiefsetzgleichstromsteller mit aktiver Gleichrichtung bilden. Der Spannungszwischenkreis,
bestehend aus den beiden Kondensatoren C1 und C2, kann mittels der passiven
Dreiphasenbrücke D16 vom Netz, das an die Klemmen X10 ... X12 angeschlossen werden muss,
gespeist werden. Die Relaiskontakte K1 ... K5 ermöglichen eine Umschaltung der
Schaltungstopologie mittels des integrierten Mikrocontrollers. Für jede Übung ist nur eine
bestimmte Kontaktkonfiguration erlaubt, diese muss vor dem Übungsbeginn richtig mittels
der Drucktasten und der LCD – Anzeige eingestellt werden (Abb.3).
Abb.3: Auswahl der Relaiskontakte mittels Drucktasten und LCD abhängig von der ausgewählten
Übung.
Der zusätzliche MOSFET S4 kann zur Aktivierung eines externen Bremswiderstandes,
angeschlossen an die Klemmen X15 – X16, beim Bremsen der Gleichstrommaschine verwendet
werden. Alternativ kann S4 auch zur Realisierung des Tiefsetz/Hochsetzgleichstromstellers,
des Sperrwandlers und des Einschalter-Durchflusswandlers verwendet werden. Bei diesen
und einigen anderen Übungen muss man dann auch den Ausgangskreis bestehend aus D7, D8,
D9a, D9b, L4 and C3 miteinbeziehen.
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Das Laborlehrsystem hat einige charakteristische Eigenschaften, die es zu beachten gilt:
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Die Zwischenkreisspannung und die Ausgangsspannung betragen typisch 48VDC. Bei
einer Überschreitung einer dieser Spannungen über den Grenzwert von 50V meldet
das System einen Fehler und sperrt sofort alle Schaltsignale. Die Hardware kann
jedoch - trotz der Fehlerabschaltung - durch das Anlegen von zu großer Spannung
zerstört werden!
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In der Anzeige ist die Zwischenkreisspannung und bei manchen Übungen die
Ausgangsspannung abzulesen. Dies ist lediglich als eine Indikation zu verstehen und
hat nicht den Charakter einer Messung, da die Gesamtgenauigkeit der Messung nur ca.
5% beträgt.
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Die einzelnen Zweige sind mit herkömmlichen flinken 10A Sicherungen abgesichert.
Zusätzlich existiert eine elektronische Stromüberwachung, die einen Spitzenwert von
25A mit einer Messzeitkonstanten von 3µs zulässt. D.h. die Stromabschaltung ist nicht
unendlich schnell und das System kann durch unsachgemäße Handhabung zerstört
werden. Es existiert eine zweite, langsamere elektronische Stromüberwachung, die auf
einen Mittelwert von 15A bei einer Zeitkonstanten von 1ms ausgelegt ist. Diese soll
die Halbleiter und die Leiterplatte vor Überhitzung schützen.
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Die Temperatur des Kühlkörpers wird mittels eines NTC Widerstandes und dem
Mikrocontroller erfasst. Bei einer Kühlkörpertemperatur von 45°C werden
automatisch die Lüfter eingeschalten. Sollte sich der Kühlkörper dann wieder
abkühlen, so schalten sich die Lüfter bei 39°C wieder aus. Bei einer
Kühlkörpertemperatur von 50°C meldet das System „Overtemp!“ und sperrt alle
Schaltsignale.
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Sollten beide Schalter eines Brückenzweiges (Si+ und Si–) eingeschalten werden, so
wird dies vom System automatisch unterbunden. Es kann jedoch nicht garantiert
werden, welcher der beiden Schalter auf „aus“ gezwungen wird. Im Leistungsteil des
Systems ist auch die Totzeitüberwachung der Schaltsignale (ca. 700ns) integriert.
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Das System muss mit einem geregelten 24V (5%), 1A Netzgerät versorgt werden,
die Polarität ist egal. Die internen Versorgungsspannungen werden aus diesen 24V
gebildet und betragen 15V und +5V.
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Die Schaltsignale für die MOSFETs werden auf der Steuerplatine gebildet. Durch
geeignete Wahl der Kurzschlussbrücken (Jumper) wird das richtige Schaltsignal an
den richtigen MOSFET geleitet.
Die Messungen in den Anleitungen erfolgten mit:
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Speicheroszilloskop LeCroy LT264 (350MHz, 1GS/s, 4Kanäle)
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Stromzange LeCroy AP015 (30A, 50MHz)
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Differentialtastkopf ADP305 (1.4kV, 100MHz)
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Power Analyzer NORMA 4000
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